Nanofiltrasyon

Nanofiltrasyon (NF), çok değerlikli iyonları, organik molekülleri ve küçük partikülleri sulu çözeltilerden seçici olarak tutmak için nano gözenekli membranların kullanıldığı, basınçla çalışan bir membran ayırma işlemidir. Genellikle 1–2 nm gözenek boyutları ve 200–1000 Da aralığında bir moleküler ağırlık kesme sınırı (MWCO) ile çalışarak, seçicilik ve işletme basıncı açısından ultrafiltrasyon ile ters osmoz arasında yer alır.^[1]^[2]

Nanofiltrasyonun temel prensipleri, membran gözeneklerinden daha büyük çözünen maddelerin fiziksel olarak engellendiği boyut dışlama (size exclusion) ve çoğu NF membranının (örneğin ince film kompozit poliamidler) negatif yüklü yüzeyleri nedeniyle yüklü türlerin itilmesini artıran yük tabanlı reddetme (Donnan dışlaması) kombinasyonuna dayanır.^[1] Bu membranlar, ters osmoz için gereken 40–80 bar basınçtan önemli ölçüde daha düşük olan 5–20 bar gibi orta seviye basınçlarda çalışır. Bu sayede, iki değerlikli tuzlar için yüksek reddetme oranları (örneğin MgSO₄ için >%95) ve tek değerlikli iyonlar için orta düzeyde reddetme (örneğin NaCl için %20–80) sağlarken enerji verimli bir ayırma gerçekleştirir.^[1]^[2] Yaygın membran malzemeleri arasında, yüksek akı ve seçicilikleri nedeniyle polimerik ince film kompozitler ve zorlu ortamlarda üstün kimyasal kararlılık sağlayan γ-alümina gibi seramik varyantlar bulunur.^[1]

Nanofiltrasyon; kısmi tuz giderme, yumuşatma ve endüstriyel atık sulardan ağır metallerin, boyaların ve organik kirleticilerin uzaklaştırılması dahil olmak üzere su arıtımında yaygın uygulama alanları bulmakta olup, sürdürülebilir su yeniden kullanımı ve arıtımı için kilit bir teknolojidir.^[1] İçme suyu üretiminde NF, tam demineralizasyona gerek kalmadan sertliği etkili bir şekilde azaltır, patojenleri ve mikro kirleticileri ortadan kaldırır. Gıda ve ilaç endüstrilerinde ise laktoz veya antibiyotikler gibi değerli bileşiklerin minimum termal hasarla konsantre edilmesini sağlar.^[1] Son gelişmeler, grafen oksit ve kovalent organik çerçeveler (COF’ler) gibi iki boyutlu malzemeleri NF membranlarına entegre ederek, geleneksel tasarımlardaki kirlenme ve düşük akı gibi zorlukları ele almış ve 1000 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹’ı aşan ultra hızlı su geçirgenliği ile neredeyse mükemmel boya reddi (>%99) elde etmiştir.

Temeller

Tanım ve Prensipler

Nanofiltrasyon (NF), seçicilik ve gözenek boyutu açısından ultrafiltrasyon (UF) ile ters osmoz (RO) arasında konumlanan, basınç tahrikli bir membran ayırma işlemidir. Etkin gözenek çapları tipik olarak 0.5 ile 2 nm arasında değişen yarı geçirgen membranlar kullanır. Bu yapı, çok değerlikli iyonların, organik bileşiklerin ve moleküler ağırlığı 200–1000 Da üzerinde olan küçük moleküllerin tutulmasını sağlarken, tek değerlikli iyonların ve daha küçük çözünen maddelerin daha kolay geçmesine izin verir.^[4]^[5]

NF için birincil itici güç, genellikle 5–20 bar aralığında çalışan uygulanan transmembran basıncıdır (TMP). Bu basınç, RO için gerekenden daha düşüktür ancak daha yoğun membranların yüksek enerji talepleri olmaksızın ayırma işlemini gerçekleştirmek için yeterlidir. Ayırma, çoklu sinerjik mekanizmalarla gerçekleşir: gözenek boyutundan daha büyük çözünen maddelerin fiziksel olarak dışlandığı sterik eleme; membran yüzey yüküne (genellikle negatif olup, iki değerlikli anyonların ve katyonların reddini artırır) dayalı olarak eş iyonları iten Donnan dışlama ilkesi yoluyla elektrostatik etkileşimler; ve çözünen maddenin membran matrisi içinde dağılımını ve difüzyonunu içeren çözünme-difüzyon mekanizması.^[6]^[5] NF membranlarındaki gözenek boyutu dağılımı nispeten dardır, bu da UF’deki daha geniş dağılımlara kıyasla reddetme oranları üzerinde hassas bir kontrol sağlar.^[6]

NF, 1960’larda RO ve UF için asimetrik selüloz asetat membranlardaki ilerlemelerin bir yan ürünü olarak ortaya çıkmış, başlangıçta ara seçiciliği nedeniyle “gevşek RO” veya “sıkı UF” olarak adlandırılmıştır. Gelişimi, kompozit yapıların araştırılmasıyla 1970’lerde hızlanmış ve 1980’lerde, özellikle Florida’daki gibi su yumuşatma uygulamalarında ilk ticari uygulamalara yol açmıştır.^[7] “Nanofiltrasyon” terimi, 1980’lerin sonlarında FilmTec gibi endüstri liderleri tarafından resmen benimsenmiş ve ayrı bir süreç olarak tanınmıştır.^[7]

NF’de permeat akısı, gözenekli ortamlardan akış için Darcy yasasının bir uyarlamasıyla temel olarak şu şekilde ifade edilir:

$$ J = \frac{\Delta P}{\mu R_{\text{total}}} $$

Burada $J$ hacimsel akı (m/s), $\Delta P$ transmembran basınç farkı (Pa), $\mu$ akışkan viskozitesi (Pa·s) ve $R_{\text{total}}$ içsel membran direnci ile kirlenme katkılarını kapsayan toplam hidrolik dirençtir (m⁻¹). Bu denklem, Darcy’nin genel formu olan $\mathbf{v} = -\frac{k}{\mu} \nabla P$ ($k$ geçirgenlik olmak üzere) ifadesinin membran kalınlığı $L$ boyunca entegre edilmesiyle türetilir ve temiz koşullar için $J = \frac{\Delta P}{\mu (L/k)}$ sonucunu verir (burada $R_m = L/k$). Pratikte, $R_{\text{total}} = R_m + R_f$ operasyonel dinamikleri hesaba katar. Yüklü NF membranları için Donnan dışlaması, iyonların membran arayüzündeki dağılımını etkileyerek akıyı modüle eder ve temel hidrolik modeli değiştirmeden çok değerlikli türler için seçiciliği artırır.^[8]^[9]^[5]

Diğer Membran Süreçleri ile Karşılaştırma

Nanofiltrasyon (NF), seçicilik ve operasyonel gereksinimler açısından ultrafiltrasyon (UF) ile ters osmoz (RO) arasındaki boşluğu dolduran, basınçla çalışan membran süreçleri arasında belirgin bir konuma sahiptir. Mikrofiltrasyon (MF) 100 nm’yi aşan gözenek boyutlarıyla daha büyük partikülleri hedeflerken, UF makromolekülleri ve kolloidleri gidermek için 2-100 nm aralığında çalışır ve RO, çözünen maddelerin neredeyse tamamını reddetmek için 0.5 nm’den küçük gözenekler kullanır. NF’nin 0.5-2 nm’lik etkin gözenek boyutları ise RO’nun yüksek enerji maliyetleri olmadan kısmi tuz giderme ve organik madde giderimi sağlar.^[10]^[11]

Reddetme profilleri açısından NF membranları, CaSO₄ ve MgSO₄ gibi iki değerlikli tuzlarda %90’ın üzerinde reddetme sağlarken, boyut dışlama ve Donnan etkilerinin birleşimi nedeniyle NaCl gibi tek değerlikli tuzlarda %20–80 oranında geçişe izin verir.^[12]^[13] Bu durum, tek değerlikli iyonlar dahil tüm tuzların %95’inden fazlasını reddeden RO ile ve ihmal edilebilir tuz tutulumu ile 1 kDa’dan büyük molekülleri reddeden UF ile keskin bir tezat oluşturur.^[12]^[10]

NF için enerji gereksinimleri orta düzeydedir; 5-20 bar basınçlarda çalışır. Bu, RO’nun 10-80 bar basıncından düşük, ancak MF ve UF için tipik olan 5 bar altındaki basınçlardan yüksektir.^[11]^[10] Bu durum, NF’yi tam tuz gidermenin gereksiz olduğu kısmi yumuşatma ve kirletici giderme işlemleri için enerji açısından verimli bir seçenek haline getirir.

Süreç	Gözenek Boyutu	Tipik Reddetme	Basınç (bar)	Uygulamalar (Özet)
Mikrofiltrasyon (MF)	>100 nm	Partiküller >0.1 μm, bakteriler	<2	İçme suyu ön arıtımında bulanıklık ve mikrobiyal giderim^[10]
Ultrafiltrasyon (UF)	2-100 nm	Moleküller >1 kDa, virüsler	<5	Atık su ve arıtmada organik ve mikrobiyal giderim^[10]
Nanofiltrasyon (NF)	0.5-2 nm	>%90 iki değerlikli tuzlar, %20–80 tek değerlikli tuzlar	5-20	Su yumuşatma, kısmi tuz giderme, organik madde giderimi^[12]^[11]
Ters Osmoz (RO)	<0.5 nm	>%95 tüm tuzlar ve küçük organikler	10-80	Tuz giderme (desalinasyon), yüksek saflıkta su üretimi^[11]^[10]

NF, genellikle acı su arıtımında hibrit sistemlerde RO ile entegre edilir; burada NF ön arıtımı, kabuklaşmayı (scaling) azaltmak ve genel geri kazanım oranlarını artırmak için iki değerlikli iyonları giderir.^[14]

Membran Teknolojisi

Membran Türleri ve Malzemeleri

Nanofiltrasyon membranları temel olarak ince film kompozit (TFC) ve seramik tipler olarak sınıflandırılır; TFC membranlar su arıtma uygulamalarındaki çok yönlülükleri nedeniyle en yaygın olanlarıdır. TFC membranlar, boyut dışlama ve yük tabanlı mekanizmaların bir kombinasyonu yoluyla etkili ayırmayı sağlayan, mikro gözenekli bir polisülfon destek tabakası üzerinde oluşturulmuş ultra ince bir poliamid aktif tabakadan oluşur.^[15] Buna karşılık, genellikle metal oksitlerden oluşan seramik nanofiltrasyon membranları, organik membranların bozulabileceği zorlu kimyasal ortamlarda kullanılır ve asit geri kazanımı gibi endüstriyel süreçler için üstün termal ve kimyasal kararlılık sunar.^[16]

Nanofiltrasyon membranlarında kullanılan malzemeler genel olarak organik ve inorganik olarak kategorize edilebilir. Poliamid ve selüloz asetat gibi organik malzemeler çoğu TFC membranın temelini oluşturur; poliamid özellikle ayarlanabilir gözenek boyutu ve yüksek seçiciliği için tercih edilirken, selüloz asetat belirli uygulamalarda iyi hidrolitik kararlılık sağlar.^[15] Zirkonyum ve titanyum gibi inorganik malzemeler seramik membranların ayrılmaz bir parçasıdır ve organiklere kıyasla daha küçük bir pazar segmenti olsalar da, aşırı pH ve 300°C’ye kadar sıcaklıklara direnç kazandırırlar.^[16] Poliamid tabakası içindeki çapraz bağlanma, tipik olarak trimesoil klorür ile arayüzey polimerizasyonu yoluyla elde edilir ve sulu ortamlarda mekanik kararlılığı artırıp şişmeyi azaltarak uzun vadeli performansı korur.^[15]

Nanofiltrasyon membranlarının yüzey özellikleri, özellikle iyon seçiciliğini artırmak için Donnan dışlamasını teşvik eden zwitteriyonik veya yüklü fonksiyonel grupların dahil edilmesi yoluyla ayırma verimliliğini önemli ölçüde etkiler. Örneğin, poliamid tabakalarındaki negatif yüklü sülfonat grupları çok değerlikli anyonları iterek, sülfatın klorüre göre reddedilme oranlarını artırır.^[16] TFC membranlar, 1980’lerde FilmTec Corporation tarafından ticarileştirilmelerinden bu yana ticari nanofiltrasyon pazarına hakim olmuştur; spiral sarımlı konfigürasyonlar uygulamaların %80’inden fazlasını oluşturmaktadır.^[17]

Bu membranların asimetrik yapısı performans için kritiktir; akıyı engellemeden mekanik bütünlük sağlayan daha kalın mikro gözenekli bir alt tabaka tarafından desteklenen yaklaşık 100-200 nm kalınlığında aktif bir ayırma tabakasına sahiptirler. TFC tasarımlarındaki bu ince aktif tabaka, taşıma direncini en aza indirerek 200-1000 Da moleküler ağırlık sınırları için 1 nm civarında gözenek boyutları elde edilmesini sağlar.^[15]

Üretim ve Modifikasyon Yöntemleri

Nanofiltrasyon membranları, gözenekli alt tabakalarla desteklenen seçici ince tabakalar oluşturmak için uyarlanmış yöntemlerle, esas olarak polimerik veya seramik malzemeler kullanılarak üretilir. Ticari uygulamalara hakim olan polimerik membranlar, genellikle arayüzey polimerizasyonu yoluyla ince film kompozitler (TFC) veya faz dönüşümü yoluyla asimetrik yapılar olarak üretilirken, seramik varyantlar zorlu ortamlarda daha fazla dayanıklılık için sol-jel tekniklerini kullanır. Bu üretim süreçlerini, akı, seçicilik ve kirlenme direnci gibi özellikleri optimize etmek için yapılan modifikasyonlar takip eder.

Arayüzey polimerizasyonu, TFC nanofiltrasyon membranlarında aktif poliamid tabakasını oluşturmak için en yaygın kullanılan yöntemdir. Süreç, polisülfon gibi mikro gözenekli bir polimerik desteğin, tipik olarak kütlece %1-2 m-fenilendiamin (MPD) veya piperazin (PIP) gibi bir diamin monomeri içeren sulu bir çözeltiye daldırılmasıyla başlar. Bunu, asit klorür olarak genellikle kütlece %0.1-0.2 trimesoil klorür (TMC) içeren, heksan gibi karışmayan bir organik çözücü ile temas izler. Su-organik arayüzündeki hızlı reaksiyon, yoğunlaşma polimerizasyonu yoluyla çapraz bağlı bir poliamid ağı oluşturarak yoğun, ultra ince bir seçici tabaka (20-200 nm kalınlığında) meydana getirir. Fazla reaktifler süzülerek veya filtre edilerek uzaklaştırılır ve membran, çapraz bağlanmayı ve desteğe yapışmayı artırmak için 60-80°C’de ısıl işleme tabi tutulur. 1980’lerde öncülük edilen bu teknik, reaksiyon süresi ve monomer konsantrasyonları yoluyla tabaka kalınlığı üzerinde hassas kontrol sağlayarak, ayarlanabilir geçirgenlik ile yüksek tuz reddi (örneğin iki değerlikli iyonlar için >%95) sağlar.^[18]^[19]

Çözücü olmayan kaynaklı faz ayrımı (NIPS) yoluyla faz dönüşümü, nanofiltrasyon membranları için asimetrik gözenekli destekler üretmek amacıyla yaygın olarak kullanılır. Homojen bir döküm çözeltisi (dope), polisülfon veya polietersülfon (kütlece %15-20) gibi bir polimerin, gözenek geliştirmek için genellikle polivinilpirolidon (PVP) gibi katkı maddeleriyle birlikte N-metil-2-pirolidon (NMP) veya dimetilasetamid (DMAc) gibi bir çözücüde çözülmesiyle hazırlanır. Çözelti, cam bir plaka üzerine ince bir film (100-200 μm) olarak dökülür veya içi boş (hollow) elyaflar halinde ekstrüde edilir. Genellikle su olan, çözücü olmayan bir pıhtılaşma banyosuna hemen daldırma, çözücü-çözücü olmayan değişimi yoluyla sıvı-sıvı ayrışmasını tetikler, polimeri çöktürür ve gözenekli bir alt tabaka (mekanik destek için) üzerinde yoğun bir kabuk tabakası (seçicilik için) içeren asimetrik bir yapı oluşturur. Ani ayrışma, daha yüksek akı için parmak benzeri makro boşluklar üretirken, gecikmiş ayrışma daha iyi mukavemet için sünger benzeri yapılar verir. Bu yöntem, sonraki TFC kaplaması için destek olarak uygun, seçici tabakada 1 nm civarında gözenek boyutlarına sahip membranlar sağlar.^[20]^[21]

Aşılama (grafting) ve nanopartikül gömme gibi yüzey modifikasyonları, nanofiltrasyon membranlarını gelişmiş performans için uyarlamak adına gereklidir. Yüzey aşılama, polietilen glikol (PEG) gibi hidrofilik polimerlerin poliamid tabakasına kovalent olarak bağlanmasını içerir; bu işlem genellikle karbodiimid kimyası veya plazma aktivasyonu yoluyla yapılır ve kirleticilere karşı hidrasyon ve sterik itme sağlayan fırça benzeri bir kaplama oluşturur. Örneğin, poliamid yüzeylerin PEGylasyonu, protein adsorpsiyonunu azaltarak sığır serum albümini maruziyetinden sonra %99’u aşan akı geri kazanım oranlarına ulaşmıştır. Benzer şekilde, arayüzey polimerizasyonu sırasında grafen oksit (GO) gibi nanopartiküllerin gömülmesi, kütlece %0.1-0.5 oranında GO tabakasını poliamid matrisine dahil eder. Bu işlem hidrofilikliği artırır ve su akısını on iki kata kadar (örneğin 10’dan 120 L/m²·h·bar’a) yükselten nanokanallar oluştururken, iki değerlikli tuzların >%95 oranında reddedilmesini sağlar ve organik kirlenmeyi %50-70 oranında azaltarak kirlenme direncini iyileştirir. Bu modifikasyonlar seçiciliği korur ancak topaklanmayı önlemek için dikkatli dispersiyon gerektirir.^[22]^[23]^[24]

Seramik nanofiltrasyon membranları, hassas nano gözeneklere sahip inorganik tabakalar üretmek için sol-jel yöntemleri kullanılarak üretilir. Polimerik sol-jel yolunda, metal alkoksitler (örneğin TiO₂ için titanyum izopropoksit), organik bir çözücüde hidroliz ve yoğunlaşmaya uğrayarak bir sol oluşturur; bu sol, makro gözenekli bir seramik desteğe (örneğin alümina) daldırma veya döndürme yoluyla kaplanır. Jel kurutulur ve yapıyı yoğunlaştırmak ve 0.5-2 nm gözenekli seçici bir üst tabaka oluşturmak için 500-1000°C’de kalsine edilir (sinterlenir). Kolloidal sol-jel varyantı, metal oksit nanopartiküllerinin sulu süspansiyonlarını kullanır ve daha çevre dostu bir alternatif sunar ancak topaklanmayı önlemek için stabilizatörler gerektirir; mekanik bütünlük ve 400 Da’nın altında moleküler ağırlık kesme sınırlarına ulaşmak için benzer sıcaklıklarda sinterleme yapılır. Bu yaklaşım, kimyasal temizliğe ve yüksek sıcaklıklara dayanıklı sağlam membranlar sağlar.^[25]^[26]

2010’larda dikkate değer bir gelişme, doğal su kanallarını taklit etmek için akuaporin proteinleri gömülü biyomimetik nanofiltrasyon membranlarını içeriyordu. 2010-2012 civarındaki ilk çabalar, akuaporin Z’yi (AqpZ) blok kopolimer veziküllerine veya gözenekli destekler üzerindeki lipit çift katmanlarına dahil etmeye odaklandı ve durdurulmuş akış (stopped-flow) ölçümleriyle geleneksel membranlardan 800 kata kadar daha yüksek su geçirgenliği elde edildi. On yılın ortalarında, Aquaporin A/S’nin ticari prototipleri, akuaporinleri arayüzey montajı yoluyla polimerik matrislere entegre ederek, ileri osmoz uygulamaları için 5 barda 40 L·m⁻²·h⁻¹’e kadar su geçirgenliği ve tek değerlikli tuzların yüksek oranda (%99’a kadar) reddedilmesiyle seçici taşımayı mümkün kıldı. 2024 itibariyle gelişmeler, önceki kararlılık zorluklarını ele alan, yüksek geçirgenliğe ve tuz reddine sahip raf ömrü uzun akuaporin biyomimetik membranları içermektedir.^[27] Bu gelişmeler kararlılık zorluklarını vurgulamış ancak biyomimetik tasarımları ultra yüksek geçirgenlik için bir yol olarak belirlemiştir.^[28]^[29]

Sistem Tasarımı ve İşletimi

Modül Konfigürasyonları

Nanofiltrasyon (NF) membranları, paketleme yoğunluğunu, işletim kolaylığını ve belirli besleme akışlarına uygunluğu optimize etmek için tasarlanmış çeşitli modül konfigürasyonlarında barındırılır ve bu da sistem ölçeklenebilirliğini ve endüstriyel uygulanabilirliği etkiler. Birincil konfigürasyonlar arasında spiral sarımlı, tübüler, içi boş elyaf (hollow fiber) ve plaka-çerçeve modülleri bulunur; bunların her biri membran alanı kullanımı ve işlem koşullarının yönetimi açısından belirgin avantajlar sunar. Bir konfigürasyonun seçimi, besleme viskozitesi, kirlenme potansiyeli ve gerekli verim gibi faktörlere bağlıdır; spiral sarımlı modüller, verimlilik ve maliyet dengesi nedeniyle ticari kurulumlara hakimdir.^[30]^[31]

Spiral sarımlı modüller, merkezi bir delikli permeat toplama tüpü etrafına sarılmış düz tabaka membranlardan ve ayırıcılardan oluşur ve tipik olarak 20-30 cm çapında ve 1-1.5 m uzunluğunda kompakt silindirik bir eleman oluşturur. Bu tasarım, 800 m²/m³’e varan yüksek paketleme yoğunlukları elde eder ve birden fazla elemanı barındıran tam bir modül başına 400 m²’ye kadar membran alanı sağlayabilir, bu da onu su arıtma gibi büyük hacimli uygulamalar için oldukça ölçeklenebilir hale getirir.^[32]^[33] Spiral sarımlı konfigürasyonlar, 1980’lerde ticari olarak piyasaya sürülmelerinden ve 1990’lardan itibaren yaygın kullanımlarından bu yana sağlamlaşan bir eğilimle, 2019 itibariyle NF membran satış pazar payının %90’ından fazlasını oluşturarak NF için en yaygın benimsenen konfigürasyondur.^[31]^[30]

Tübüler modüller, tipik olarak 10 ila 25 mm arasında değişen çaplara sahip gözenekli destek tüplerinin iç yüzeyine dökülmüş NF membranlarına sahiptir ve beslemenin lümen içinden çapraz akışlı bir şekilde akmasına izin verir. Yaklaşık 70 m²/m³’lük daha düşük bir paketleme yoğunluğuna sahip olan bu modüller, mekanik temizliği kolaylaştıran ve tıkanma risklerini azaltan açık geometrileri nedeniyle, atık su arıtımı gibi yüksek kirlilik potansiyeline sahip veya viskoz beslemelerin işlenmesinde üstündür.^[32]^[30]

İçi boş elyaf modülleri, bir basınç kabı içinde binlerce ince, kılcal benzeri elyafı (0.1-1 mm iç çaplı) demetler halinde toplar; burada besleme, 1000–2000 m²/m³’lük paketleme yoğunluklarıyla yüzey alanını maksimize etmek için lümen veya kabuk tarafına girebilir. Tipik NF basınçları (5–20 bar) altında elyaf kırılganlığına ilişkin tarihsel endişeler nedeniyle 2020’lerin başlarında spiral sarımlı konfigürasyonlardan daha az yaygın olsa da, içi boş elyaf modülleri, düşük basınçlı ultra saf su üretimi ve atık su süreçleri için 2023 yılına kadar 26 operasyonel veya inşa halindeki tesis dahil olmak üzere tam ölçekli uygulamaları mümkün kılan son gelişmeleri görmüştür; geliştirilmiş dayanıklılık ve daha düşük kirlenme eğilimi nedeniyle kullanımları artmaktadır.^[32]^[30]^[31]

Plaka ve çerçeve modülleri, düz tabaka membranları destek plakaları arasına sandviçleyerek besleme ve permeat akışı için açık kanallar oluşturur ve yaklaşık 500 m²/m³’lük paketleme yoğunluklarıyla bir filtre pres kurulumuna benzer. Öncelikle laboratuvar ölçekli testlerde veya sık membran değişimi gerektiren özel uygulamalarda kullanılan bu konfigürasyon, basit temizlik ve incelemeye izin verir ancak daha düşük alan-hacim oranlarından muzdariptir ve bu da endüstriyel NF sistemleri için ölçeklenebilirliğini sınırlar.^[32]^[30]

Konfigürasyon	Paketleme Yoğunluğu (m²/m³)	Tipik Uygulamalar	Temel Avantajlar
Spiral Sarımlı	800	Su arıtma, tuz giderme	Modül başına yüksek alan (400 m²’ye kadar), uygun maliyetli ölçeklenebilirlik^[32]^[33]
Tübüler	70	Yüksek katı maddeli atık sular	Kolay temizlik, düşük kirlenme eğilimi^[32]
İçi Boş Elyaf (Hollow-Fiber)	1000–2000	Düşük basınçlı ultra saf su, gelişmekte olan atık su süreçleri	Yüksek yoğunluk, kompakt tasarım, son tasarımlarda geliştirilmiş kirlenme direnci^[32]^[31]
Plaka ve Çerçeve	500	Laboratuvar ölçeği veya özel kullanımlar	Basit bakım ve erişim^[32]

Operasyonel Parametreler ve Akı Dinamikleri

Nanofiltrasyon (NF) süreçlerinin operasyonel parametreleri, permeat akısını ve genel verimliliği önemli ölçüde etkiler. Besleme basıncı, enerji maliyetleri ve reddetme performansını dengelerken çözücünün membran boyunca taşınmasını sağlamak için tipik olarak 5 ila 20 bar arasında değişir. Daha yüksek basınçlar akıyı ozmotik basınç sınırlarının belirginleştiği bir noktaya kadar doğrusal olarak artırır, ancak aşırı basınç sıkışmayı ve kirlenme öncülerini hızlandırabilir.^[34] Çoğu konfigürasyonda 0.5 ila 3 m/s’de tutulan çapraz akış hızı, membran yüzeyindeki kaymayı (shear) teşvik ederek sınır tabakası oluşumunu en aza indirir ve böylece akıyı sürdürür; bu aralıktaki hızlar, aşırı pompalama enerjisi olmadan türbülanslı akışa elverişli Reynolds sayılarına ulaşmak için spiral sarımlı modüllerde yaygındır.^[35] Sıcaklık, çözücü viskozitesindeki ve membran difüzivitesindeki değişiklikler nedeniyle genellikle bir Arrhenius ilişkisini izleyerek akı üzerinde belirgin bir etki gösterir; su viskozitesi azaldıkça ve gözenek hareketliliği arttıkça her 10–20°C artış için akı yaklaşık iki katına çıkar.^[34]

Konsantrasyon polarizasyonu, reddedilen çözünen maddelerin membran yüzeyinde birikmesiyle ortaya çıkar ve yerel konsantrasyonu (C_w) yığın beslemenin (C_b) üzerine çıkaran bir sınır tabakası oluşturur. Bu durum C_w / C_b polarizasyon modülü ile nicelendirilir ve geçirgenlik için etkili itici gücü azaltır.^[36] Bu fenomen, iki değerlikli iyonların ve organiklerin kısmi reddi nedeniyle NF’de özellikle kritiktir ve hafifletilmezse akı düşüşüne yol açar. Film teorisi bunu, membran bitişiğinde çözünen madde taşınımının yüzeye doğru konvektif sürüklenme ve difüzif geri taşınımı dengelediği durgun bir laminer sınır tabakası (kalınlık δ) varsayarak modeller. Tamamen reddedilen bir çözünen madde için (permeat konsantrasyonu C_p ≈ 0), duvardaki kararlı durum çözünen madde akısı sıfırdır, dolayısıyla konvektif akı J_v C_w, difüzif akı -D (dC/dx)|_w’ye eşittir (burada J_v hacimsel akı ve D çözünen madde difüzyon katsayısıdır). Tek boyutlu difüzyon denkleminin (dC/dx = (J_v / D) C) film boyunca x=0’dan (duvar, C=C_w) x=δ’ya (yığın, C=C_b) entegre edilmesi ln(C_w / C_b) = J_v δ / D veya eşdeğer olarak C_w / C_b = exp(J_v δ / D) sonucunu verir. Kütle transfer katsayısı k = D / δ olduğundan, bu ifade polarizasyon modülü C_w / C_b = exp(J_v / k) olarak basitleşir; burada k hidrodinamiğe bağlıdır (örneğin Sherwood korelasyonu yoluyla).^[37] Bu üstel form, daha yüksek akının veya daha kalın sınır tabakalarının (daha düşük k) polarizasyonu nasıl güçlendirdiğini vurgular; bu durum NF operasyonlarında genellikle 1.5–3 kat artışa neden olur.^[36]

NF sistemlerinde permeat hacminin besleme hacmine oranı olarak tanımlanan geri kazanım oranı, konsantre tuzluluk artışı ve CaSO₄ gibi az çözünen tuzlardan kaynaklanan kabuklaşma riskleri ile sınırlı olarak tipik olarak %50 ila %90 arasında değişir.^[38] Optimum geri kazanım, yüksek su verimini minimum ön arıtma ihtiyacıyla dengeler ve genellikle kademeli konfigürasyonlar aracılığıyla acı su uygulamalarında %70–85’e ulaşır.^[39]

Kirlenme ve Temizleme Stratejileri

NF sistemlerinde membran kirlenmesi (fouling), kirleticilerin membran yüzeyinde veya gözenekleri içinde birikerek verimliliği düşüren ve işletme maliyetlerini artıran birincil bir zorluktur. Yaygın kirlenme türleri arasında organik ve killerden kaynaklanan kolloidal kirlenme, kalsiyum karbonat (CaCO₃) ve silika (SiO₂) gibi inorganik çökeltilerden kaynaklanan kabuklaşma (scaling) ve mikrobiyal büyüme ve biyofilm oluşumuna bağlı biyokirlenme bulunur.^[40] Bu kirleticiler, askıda partiküllerin, çözünmüş tuzların ve mikroorganizmaların membranla etkileşime girdiği yüzey suyu veya endüstriyel atıklar gibi besleme suyu kaynaklarından gelir.^[40]

Kirlenme mekanizmaları temel olarak, kirleticilerin elektrostatik veya hidrofobik etkileşimler yoluyla doğrudan membran yüzeyine tutunduğu adsorpsiyonu ve birikmiş partiküllerin akış direncini artıran ikincil bir direnç katmanı oluşturduğu kek tabakası oluşumunu içerir.^[40] Bu durum, kirlenme tabakasının hidrolik direnci artırması ve önceki operasyonel dinamiklerden kaynaklanan konsantrasyon polarizasyonu etkileriyle etkileşime girmesi nedeniyle, düşük konsantrasyonda organik madde (<1 g/L) içeren arıtılmamış beslemelerde genellikle %50 veya daha fazla olmak üzere önemli akı düşüşüne yol açar.^[41] Kolloidal ve organik kirleticiler kısmen giderilebilen tersinir kekler oluşturma eğilimindeyken, kabuklaşma ve biyokirlenme genellikle daha tersinmez birikimle sonuçlanarak membran ömrünü kısaltır.^[40]

Kirlenmeyi hafifletmek için, kolloidleri birleştirmek üzere pıhtılaşma (koagülasyon) ve bir üst akış bariyeri olarak ultrafiltrasyon (UF) gibi ön arıtma stratejileri, NF beslemesindeki kirletici yükünü azaltmak ve ilk birikimi önlemek için yaygın olarak kullanılır.^[40] Kimyasal temizleme yöntemleri belirli kirleticileri hedefler: asitler (örneğin hidroklorik veya sitrik asit) CaCO₃ gibi inorganik tortuları çözerken, alkaliler (örneğin sodyum hidroksit) organik ve biyolojik birikintileri hidrolize ederek periyodik uygulamalarda akının %80-90’ını geri kazandırır.^[40] Permeat veya su jetleri ile geri yıkama ve ultrasonik ışınlama dahil fiziksel teknikler, kimyasallar olmadan kek tabakalarını yerinden çıkararak çevresel etkiyi ve membran bozulmasını en aza indirir.^[40]

Akı geliştirme yaklaşımları, spiral sarımlı modüllerde türbülanslı akışı teşvik eden ve durgunluk bölgelerini azaltan optimize edilmiş ayırıcı tasarımları gibi hidrodinamik modifikasyonlara odaklanır, böylece kirletici birikimini standart ayırıcılara kıyasla %20-40 oranında sınırlar.^[42] Periyodik basınç değişimleri getiren darbeli akış işlemleri, sınır tabakalarını daha da bozar ve birikintileri keserek NF sistemlerinde kirlenme önleyici performansı artırır. Ayrıca, NF membranlarına uygulanan hidrofilik polimerler (örneğin polietilen glikol veya zwitteriyonik varyantlar) gibi kirlenme önleyici kaplamalar, yüzey ıslanabilirliğini artırır ve protein veya bakteri yapışmasını azaltır; bu da modifiye edilmiş poliamid yüzeyler üzerine yapılan 2000’lerin başındaki çalışmalarda gösterildiği gibi işletme ömrünü %20-30 oranında uzatır. Bu entegre stratejiler, uygulamalar genelinde sürdürülebilir NF performansını sağlar.^[40]

Uygulamalar

Su ve Atık Su Arıtımı

Nanofiltrasyon, kalsiyum (Ca²⁺) ve magnezyum (Mg²⁺) gibi iki değerlikli iyonları seçici olarak gidererek su yumuşatmada çok önemli bir rol oynar ve içilebilir su üretimi için %95’i aşan giderme verimliliğine ulaşır. Bu işlem, geleneksel iyon değiştirme yumuşatma yöntemlerinde kullanılan sodyum iyonları gibi kimyasal katkı maddelerine olan ihtiyacı ortadan kaldırarak belediye dağıtımı için uygun, yüksek kaliteli yumuşatılmış su üretir. Florida’daki tam ölçekli nanofiltrasyon tesisleri, 1990’ların ortalarından bu yana faaliyette olup, yüksek sertlik seviyelerine sahip yeraltı suyunun arıtılmasında bu teknolojinin pratik uygulamasını göstermiş ve içme suyu standartlarını karşılamak için Ca²⁺ ve Mg²⁺ konsantrasyonlarında sürekli olarak önemli azalmalar sağlamıştır.^[43]^[44]

Tuz giderme (desalinasyon) uygulamalarında nanofiltrasyon, toplam çözünmüş katı maddeleri (TDS) tipik olarak 500 ila 5.000 mg/L arasında değişen acı suların kısmi yumuşatılması için bir ön arıtma görevi görür; burada tek değerlikli iyonların daha yüksek geçişine izin verirken iki değerlikli tuzları tercihen reddeder. Bu seçici reddetme, sülfat ve sertlik iyonlarının konsantrasyonlarını düşürerek sonraki RO aşamalarındaki kabuklaşma risklerini azaltır ve ters osmoz (RO) sistemleri ile hibrit konfigürasyonlarda entegrasyonu kolaylaştırarak genel geri kazanım oranlarını artırır. Bu tür hibrit NF-RO kurulumları, orta derecede tuzluluk kaynaklarına sahip bölgelerde enerji verimliliğini ve permeat kalitesini iyileştirerek acı yeraltı suyu arıtımı için yaygın olarak benimsenmiştir.^[45]^[14]

Atık su arıtımında nanofiltrasyon, tekstil atık sularında %90’ı aşan reddetme oranlarıyla reaktif boyalar gibi organik kirleticileri etkili bir şekilde gidererek renk azaltımı ve arıtılmış akışın yeniden kullanım potansiyelini sağlar. Benzer şekilde, endüstriyel deşarjlardan altı değerlikli krom (Cr⁶⁺) için %99’dan fazla olmak üzere ağır metallerin yüksek oranda reddedilmesini sağlayarak su ekosistemlerini korur ve deşarj limitlerine uyum sağlar. Yeraltı suyu ıslahında nanofiltrasyon, içme suyu için maksimum 50 mg/L nitrat seviyesi belirleyen 98/83/EC sayılı Avrupa Birliği direktifleri tarafından yönlendirilmiş; hibrit NF-RO şemaları kirlenmiş akiferlerdeki nitrat konsantrasyonlarını bu eşiğin altına başarıyla düşürmüştür.^[46]^[47]

Kaynak kullanımını optimize etmek ve çevresel etkiyi en aza indirmek için nanofiltrasyon, RO salamuralarından gelen konsantre akışının tuzları daha fazla konsantre etmek ve genel salamura hacmini azaltmak için NF aşamalarında kullanılması gibi enerji geri kazanım stratejilerini içerir. Hibrit sistemlerdeki bu yaklaşım, atık deşarjını %50’ye kadar azaltırken ek permeat geri kazanarak hem belediye hem de endüstriyel ortamlarda sürdürülebilir su yönetimi uygulamalarıyla uyum sağlar.^[48]^[49]

Gıda ve İlaç Endüstrileri

Gıda endüstrisinde nanofiltrasyon (NF), süt işleme akışlarından peynir altı suyu proteinlerinin konsantrasyonu ve fraksiyonlanması için yaygın olarak uygulanır; bu, yüksek değerli protein konsantrelerinin üretimini sağlarken permeatta laktozun geri kazanılmasını mümkün kılar. Peynir altı suyu işleme için ticari NF tesisleri, süt ürünleri sektörünün verimli demineralizasyon ve bileşen ayırma ihtiyacıyla 1980’lerden beri faaliyettedir.^[50] Örneğin, NF membranları, laktoferrin (biyoaktif demir bağlayıcı bir glikoprotein) gibi peynir altı suyu proteinlerinde %90’dan fazla reddetme sağlarken, laktoz (moleküler ağırlık ~342 Da) gibi daha küçük moleküllerin yüksek oranda geçişine izin vererek sonraki saflaştırma işlemlerini kolaylaştırır ve atığı azaltır.^[51] Bu süreç, pH 6-7 ve orta basınçlar (10-20 bar) gibi optimize edilmiş koşullar altında proteinler için genellikle %90’ı aşan reddetme oranlarıyla ürün verimini ve saflığını artırır.^[52]

Süt ürünlerinin ötesinde NF, bulanıklık oluşturan partikülleri ve fazla şekerleri giderirken değerli biyoaktif bileşikleri tutarak meyve suyu işlemede berraklaştırma ve konsantrasyonu destekler. Örneğin çilek suyu nanofiltrasyonunda, pelargonidin-3-O-glikozit gibi temel antosiyaninlerin tutulumu %95’e kadar ulaşarak, 10-20 L/m²·h akılarda berraklaştırma sırasında renk, antioksidan aktivite ve besin değerini korur.^[53] Benzer şekilde NF, elma suyundan monosakkaritlerin kısmi olarak uzaklaştırılması veya şeker kamışı melasındaki indirgeyici şekerlerden sakkarozun fraksiyonlanması gibi meyve suları ve şuruplarda şeker ayrımını mümkün kılarak, termal bozulma olmadan moleküler boyut ve yük farklarına dayalı seçicilik sağlar.^[54] Bu uygulamalar, membran tipine (örneğin poliamid ince film kompozitler) bağlı olarak %80-95’lik tipik şeker tutulumlarıyla, düşük kalorili ürünler için meyve suyu kararlılığını iyileştirir ve tatlılığı azaltır.^[55]

İlaç endüstrisinde NF, biyoaktiviteyi korumak için ılıman koşullar altında 200-1000 Da aralığındaki molekülleri ayırma yeteneğinden yararlanılarak antibiyotiklerin saflaştırılması ve peptitlerin fraksiyonlanması için kullanılır. Antibiyotik geri kazanımı için NF, vankomisin hidroklorür saflaştırma iş akışlarına entegre olur; burada kromatografik elüatlardan aktif bileşiği %95’i aşan saflıkla konsantre eder, ardından kristalleştirme gelir, böylece çözücü kullanımını ve kirlilik taşınmasını en aza indirir.^[56] NF yoluyla peptit fraksiyonlanması, inorganik membranların amino asitleri geçirirken 500 Da’nın üzerindeki peptitleri reddetmesiyle gösterildiği gibi, yüklü oligopeptitleri tuzlardan ve küçük safsızlıklardan sulu veya organik çözücülerde ayırarak terapötik peptitler için ölçeklenebilir bir sonraki işlem sağlar.^[57] Bu süreçler verimi artırır (genellikle >%90) ve sert kimyasallardan kaçınarak iyi üretim uygulamalarına (GMP) uyum sağlar.

NF membranları, enjeksiyonluk steril su üretimi dahil olmak üzere farmasötik uygulamalarda kullanılan suyun saflaştırılması için FDA onaylıdır; burada düşük iletkenlik (<1.3 µS/cm) ve endotoksin limitleri için USP standartlarını karşılamak üzere organikleri, iki değerlikli iyonları ve partikülleri giderirler.^[58] Ek olarak NF, biyofarmasötik üretiminde sağlam viral temizlik sağlar; içi boş elyaf veya düzlemsel konfigürasyonlarda boyut dışlama mekanizmaları yoluyla farelerin küçük virüsü (minute virus of mice) gibi parvovirüsler dahil 20 nm’den büyük virüsler için 4-6 log₁₀ azalma değeri (LRV) elde eder.^[59] Bu adım, kromatografi gibi diğer temizleme yöntemlerine ortogonaldir ve protein denatürasyonu olmadan ürün güvenliğini sağlar.

Gıda ve ilaçta biyoaktif ayrımlar için NF’deki önemli bir zorluk pH duyarlılığıdır; aşırı koşullar (pH <3 veya >11), poliamid membranları bozarak yük tabanlı reddetmeyi değiştirebilir ve akıda %50’ye varan düşüşlere veya biyoaktif bileşik kararsızlığına yol açabilir.^[60] Azaltma yöntemleri, kararlı membran malzemelerinin seçilmesini veya çözünen madde taşınımının Donnan dışlaması ve sterik engelleme yoluyla öngörülebilir kaldığı pH 4-9 aralığında çalışmayı içerir.^[61]

Gelişmekte Olan Endüstriyel Kullanımlar

Tekstil endüstrisinde nanofiltrasyon, atık su deşarjlarından boyaları geri kazanmak için ivme kazanmış, atık ve kaynak tüketimini en aza indirerek döngüsel ekonomi uygulamalarına geçişi sağlamıştır. Özellikle NF membranları, NaCl gibi tuzlar içeren atık suları arıtırken Reaktif Siyah 5 gibi azo boyaları için %98’i aşan reddetme oranları sergiler. Bu, boyama işlemlerinde boyanın yeniden konsantre edilmesine ve yeniden kullanılmasına izin verirken, deşarj veya daha fazla geri dönüşüm için saflaştırılmış bir permeat üretir. Bu yaklaşım, sıfır sıvı deşarjı (ZLD) sistemleriyle entegre olarak, boyama işlemlerinde tatlı su alımını %70’e kadar azaltır ve sürdürülebilir üretim döngülerini destekler.^[62]^[63]

Petrol ve gaz sektöründe nanofiltrasyon, yeniden kullanım için üretilmiş suyu (produced water) arıtmak amacıyla giderek daha fazla uygulanmakta, enjeksiyon veya işletme standartlarını karşılamak için çözünmüş organik maddeleri ve tuzları etkili bir şekilde gidermektedir. NF membranları, iki değerlikli iyonların %95’inden fazlasını ve moleküler ağırlığı 1.000 Da’nın üzerindeki organik bileşiklerin önemli bir kısmını seçici olarak tutarak, hidrolik kırma veya kazan beslemesi için uygun yüksek kaliteli permeat üretirken kirleticileri bertaraf için konsantre eder. Petrol kumu operasyonlarındaki pilot ölçekli uygulamalar, orta basınçlar altında 20-50 L/m²·h akı oranları göstermiş, %80’e kadar su geri kazanımını kolaylaştırmış ve çevresel deşarj hacimlerini azaltmıştır.^[64]^[65]^[66]

Nanofiltrasyonun biyoteknoloji uygulamaları arasında, lignoselülozik biyokütlenin hidrolizi sırasında selülazların tutulmasına yardımcı olduğu biyoyakıt üretiminde enzim geri dönüşümü yer alır. Kombine ultrafiltrasyon ve nanofiltrasyon süreçleri, aktif selülazların %70’inden fazla geri kazanılmasını sağlar; NF, glikozu ayırarak hidrolizatı daha da konsantre ederken yeniden kullanım için enzim bütünlüğünü korur, böylece üretim giderlerinin %50’sini oluşturabilen enzim maliyetlerini düşürür. Örneğin, buharla patlatılmış buğday samanı hidrolizinde bu yöntem, selülaz aktivitesinin %73’ünden fazlasını koruyarak ikinci nesil biyoetanol üretiminde genel işlem verimliliğini artırır.^[67]^[68]

2020’lerdeki dikkate değer bir gelişme, Li⁺’yı Na⁺ ve diğer rakip iyonlardan ayırmak için seçici membranlardan yararlanan, tuz gölü salamuralarından lityum ekstraksiyonu için pilot ölçekli nanofiltrasyon sistemlerini içerir. Bu NF süreçleri, 10’dan büyük Li⁺/Na⁺ ayırma faktörleri sergileyerek, Na⁺ gibi tek değerlikli tuzları permeata geçirirken lityumun geri kazanım için konsantre edilmesine (retentate) izin verir; pilot uygulamalar 15-30 L/m²·h akılarda %90’a kadar lityum tutulumu göstermiştir. Bu tür yenilikler, Güney Amerika’nın lityum üçgeni gibi bölgelerdeki saha denemelerinin endüstriyel benimseme için ölçeklenebilirlik göstermesiyle, pil sınıfı lityum için tedarik zinciri taleplerini ele almaktadır.^[69]^[70]

Çevresel ıslah için nanofiltrasyon, kirlenmiş yeraltı sularından per- ve polifloroalkil maddeleri (PFAS), özellikle PFOA gibi kalıcı bileşikleri etkili bir şekilde giderir. Sıkı NF membranları, yüksek geri kazanımlı operasyonlarda PFOA için %99’u aşan reddetme oranlarına ulaşarak kirleticileri imha için konsantre ederken, yeniden enjeksiyon veya içilebilir kullanım için uygun temiz permeat sağlar. Bu uygulama, etkilenen akiferler üzerindeki laboratuvar ve pilot ölçekli testlerde doğrulanmış, 10-20 bar basınç altında PFOA konsantrasyonlarını µg/L seviyesinden tespit limitlerinin altına düşürmüştür.^[71]^[72]

Performans Karakterizasyonu

Temel Metrikler ve Ölçümler

Nanofiltrasyon sistemlerinde akı, birim membran alanı başına birim zamanda üretilen permeat hacmi olarak tanımlanır ve tipik olarak saatte metrekare başına litre (LMH) cinsinden ifade edilir. Bu, membranın üretkenliğinin kritik bir göstergesidir ve çapraz akışlı veya ölü uçlu (dead-end) filtrasyon testleri sırasında belirli bir süre boyunca ağırlık veya hacim yer değiştirmesi yoluyla permeatın toplanmasıyla ölçülür. Daha yüksek akı değerleri daha büyük verim anlamına gelir, ancak ayırma verimliliğinden ödün vermemek için reddetme ile dengelenmelidir; ticari nanofiltrasyon membranları, besleme bileşimi ve modül tasarımına bağlı olarak 5-20 bar’lık tipik basınçlar altında genellikle 20 ila 100 LMH arasında değişen akılarda çalışır.^[73]

Reddetme, membranın çözünen maddeleri tutma yeteneğini nicelendirir ve şu şekilde hesaplanır:

$$ R = 1 – \frac{C_p}{C_f} $$

Burada $C_p$ permeattaki çözünen madde konsantrasyonu ve $C_f$ beslemedeki konsantrasyondur. Bu metrik, besleme ve permeat akışlarındaki konsantrasyonları belirlemek için iletkenlik, iyon kromatografisi veya spektroskopi gibi analitik teknikler kullanılarak değerlendirilir. Gözlemlenen reddetme doğrudan ölçümleri yansıtır ancak membran yüzeyindeki konsantrasyon polarizasyonundan etkilenebilir ve bu da olduğundan düşük tahminlere yol açabilir; $C_f$ yerine membran duvarındaki çözünen madde konsantrasyonunu ($C_m$) kullanan içsel reddetme, bu sınır tabakası etkisini hesaba katarak doğal membran performansının daha doğru bir değerlendirmesini sağlar.^[74]

Geçirgenlik, membranın içsel hidrolik iletkenliğini değerlendirir ve çözünen madde etkileşimlerini en aza indirmek için besleme olarak deiyonize su kullanılarak değişen transmembran basınçlarında akının ölçüldüğü saf su geçirgenliği (PWP) testleri ile belirlenir. PWP katsayısı, akı ve uygulanan basınç arasındaki doğrusal ilişkiden türetilir (genellikle LMH/bar cinsinden ifade edilir) ve çözünen madde testinden önce membran bütünlüğünü ve gözenek yapısını karşılaştırmak için bir temel oluşturur. Nanofiltrasyon membranları için PWP değerleri tipik olarak 5 ila 20 LMH/bar arasında değişir ve bu da poliamid bazlı malzemelerdeki seçicilikle olan ödünleşimi vurgular.^[13]

Seçicilik, membranın çözünen maddeler arasındaki ayrım kapasitesini ölçer ve iki tür için reddetme oranları olarak ifade edilir:

$$ S = \frac{R_{MgSO_4}}{R_{NaCl}} $$

Burada daha yüksek değerler, yük ve boyut dışlama etkileri nedeniyle çok değerlikli iyonların tek değerlikli olanlara göre tercihen tutulduğunu gösterir. Bu metrik, yumuşatma veya tuz giderme gibi iyon fraksiyonlanması gerektiren uygulamalar için özellikle önemlidir ve kontrollü besleme koşulları altında elde edilen reddetme verilerinden hesaplanır. Ticari ortamlarda, NaCl’ye karşı MgSO₄ için seçicilik oranları tipik olarak 2 ila 5 arasında değişir ve bu da iki değerlikli iyonların tercihli tutulumunu yansıtır.^[75]

Standart test protokolleri, bu metriklerin tekrarlanabilir değerlendirmesini sağlar; örneğin ASTM D4194, 225 psig ve 25°C’de 2000 mg/L NaCl beslemesi gibi belirtilen koşullar altında akı ve reddetme dahil olmak üzere nanofiltrasyon cihazlarının çalışma özelliklerini belirleme yöntemlerini ana hatlarıyla belirtir. Bu standartlar, üreticiler arasında performans kıyaslamasını kolaylaştırır ve zaman içinde membran bütünlüğünün doğrulanmasına yardımcı olur.^[76]

2025 itibariyle performans karakterizasyonundaki gelişmeler, yeni membran tasarımları için tahmin doğruluğunu artıran, moleküler dinamik simülasyonlarından akı ve reddetmeyi öngörmek için makine öğrenimi modellerinin entegrasyonunu içermektedir.^[77]

Çözünen Madde Taşıma Mekanizmaları

Nanofiltrasyon (NF) membranlarında çözünen madde taşınımı, temel olarak nano ölçekli gözenek boyutlarını (tipik olarak 1-10 nm) ve membranların yüzey yükü özelliklerini hesaba katan mekanizmalar yoluyla gerçekleşir; bu da boyut, yük ve hidrasyon etkilerine dayalı seçici ayırmayı mümkün kılar. Nötr çözünen maddeler için çözünme-difüzyon modeli, taşımayı iki aşamalı bir süreç olarak tanımlar: çözünen maddenin membran matrisine sorpsiyonu ve ardından kimyasal potansiyel gradyanı ile sürülen difüzyonu. Çözünen madde akısı $J_s$ şu şekilde verilir:

$$ J_s = B \Delta C $$

Burada $B$ geçirgenlik katsayısı ve $\Delta C$ membran boyunca konsantrasyon farkıdır. Başlangıçta ters osmoz için geliştirilen bu model, $B$’nin polimer matris içindeki çözünen maddenin çözünürlüğüne ve difüzivitesine bağlı olmasıyla, yüksüz organik moleküllerin geçişini tahmin etmek için NF’ye uyarlanmıştır.^[78]

Yüklü ve daha büyük çözünen maddeler için, sterik engellemeyi içeren gözenek akış modelleri, nano gözeneklerden geçen konvektif ve difüzif akışları daha iyi yakalar. Tersinmez termodinamikten türetilen Spiegler-Kedem modeli, tekdüze bir gözenek yapısı varsayarak çözünen madde taşınımını tanımlamak için hem konveksiyonu hem de difüzyonu entegre eder. Çözünen madde akısı şu şekilde ifade edilir:

$$ J_s = \frac{J_v (1 – \sigma) \Delta C}{1 – \sigma \exp\left( -\frac{J_v (1 – \sigma)}{K} \right)} $$

Burada $J_v$ çözücü akısı, $\sigma$ yansıma katsayısı (sterik ve Donnan etkileriyle reddedilen çözünen madde oranını gösterir) ve $K$ gözenek içindeki çözünen madde hareketliliğidir (difüzivite ile ilgilidir). Karşılık gelen reddetme $R$ şu şekilde basitleşir:

$$ R = \frac{\sigma (1 – F)}{1 – \sigma F} $$

Burada $F = \exp\left( -\frac{J_v (1 – \sigma)}{K} \right)$ olup, değişen basınçlar ve konsantrasyonlar altında ayırma verimliliğini tahmin etmek için bir çerçeve sağlar. Bu model, akı aralıkları boyunca deneysel reddetme eğrilerine uyma yeteneği nedeniyle NF’ye yaygın olarak uygulanmıştır.

Yük etkileri, NF’de iyon taşınımını önemli ölçüde etkiler; burada negatif yüklü membranlar (ticari poliamid NF’de yaygındır), karşı iyonları çekerken Donnan dışlaması yoluyla eş iyonları iter. Genişletilmiş Nernst-Planck denklemi, difüzyon, elektromigrasyon ve konveksiyonu birleştirerek bunu modeller:

$$ J_i = -D_i \frac{dC_i}{dx} – \frac{z_i D_i F C_i}{RT} \frac{d\phi}{dx} + v C_i $$

Burada $J_i$ $i$ iyonunun akısı, $D_i$ difüzyon katsayısı, $z_i$ yükü, $F$ Faraday sabiti, $\phi$ elektriksel potansiyel, $v$ konvektif hız, $R$ gaz sabiti ve $T$ sıcaklıktır. Elektronötralite ve sınır koşulları ile çözülen bu denklem, sülfat gibi iki değerlikli anyonların klorür gibi tek değerlikli anyonlara göre seçici geçişini açıklar.^[79]

Gözenek dielektrik dışlaması, hidratlı iyonların düşük dielektrikli nano gözenek ortamındaki çözünme enerjisini dökme suya kıyasla değiştirerek iyon seçiciliğini daha da modüle eder. Dielektrik sabitleri 40-60 civarında olan (suda 78’e karşılık) NF gözeneklerinde, kısmen susuz kalmış iyonlar gözenek duvarlarıyla daha güçlü etkileşimler yaşar ve bu da SO₄²⁻ gibi daha büyük, daha fazla hidratlı anyonların dışlanmasını artırır. Bu etki, özellikle asimetrik hidrasyon kabuklarına sahip tuzlar için sterik ve elektrostatik mekanizmaları tamamlar.

Bu modellerin doğrulanması genellikle Na₂SO₄ gibi tuzlar için parametrelerin deneysel verilere uydurulmasını içerir; burada Spiegler-Kedem yaklaşımı, tipik NF akılarında (20-50 L/m²·h) %95’i aşan reddetmeleri doğru bir şekilde tahmin eder ve konsantrasyon polarizasyonu düzeltilmiş ölçümlerden türetilen $\sigma$ değerleri 0.9-0.99’a yakındır. Bu tür uyumlar, gözenek boyutu dağılımlarına başvurmadan elektrolit ayrımlarında NF performansını tahmin etmede modelin yararını doğrular.^[80]

Morfolojik Analiz

Nanofiltrasyon (NF) membranlarının morfolojik analizi, ayırma verimliliğini doğrudan etkileyen yüzey topolojisi, gözenek mimarisi ve kimyasal bileşim dahil olmak üzere mikro yapıyı aydınlatmak için bir dizi görüntüleme ve spektroskopik teknik içerir. Bu yöntemler, teorik taşıma modellerine dayanmadan membranın fiziksel ve kimyasal özellikleri hakkında ampirik bilgiler sağlar. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve geçirimli elektron mikroskobu (TEM), yüzey morfolojisini ve enine kesit topolojisini görselleştirmek için birincil araçlardır ve ince film kompozit NF membranlarındaki poliamid aktif tabakanın nano ölçekli özelliklerini yakalamak için kritik olan 10-100 nm çözünürlüklerde gözenek yapısı gözlemi sağlar.^[81]^[82] Örneğin SEM, nodüler ve sırt benzeri yüzey desenlerini ortaya çıkarırken, TEM iç boşluklar ve tabaka arayüzleri için daha yüksek kontrast sunar.^[83]

Atomik kuvvet mikroskobu (AFM), kirlenme eğilimini ve hidrodinamik davranışı etkileyen, poliamid bazlı NF membranları için tipik olarak 10-50 nm arasında değişen ortalama pürüzlülük (Ra) gibi yüzey pürüzlülüğü parametrelerini nicelendirerek elektron mikroskobunu tamamlar.^[84] Vurma (tapping) modundaki AFM görüntüleme, arayüzey polimerizasyon üretimi sırasında ortaya çıkan yüzey dokusundaki varyasyonları vurgulayan üç boyutlu topografik haritalar sağlar. porozimetre teknikleri gözenekliliği daha da karakterize eder: Gaz adsorpsiyonu yoluyla Brunauer-Emmett-Teller (BET) yöntemi, mühendislik ürünü NF destekleri veya modifiye edilmiş aktif tabakalar için genellikle 100-500 m²/g olan spesifik yüzey alanını ölçerek erişilebilir gözenek hacmini gösterir.^[85] Kabarcık noktası (bubble point) yöntemi, ıslatıcı sıvıyı en büyük gözeneklerden çıkarmak için basınç uygulayarak maksimum gözenek boyutunu belirler ve asimetrik NF tasarımlarında gözenekli alt yapıyı değerlendirmek için yararlıdır.^[86]

Kimyasal morfoloji, yüzeydeki fonksiyonel grupları ve elementel bileşimi tanımlayan Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) ve X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) kullanılarak incelenir. Poliamid NF membranlarında, FTIR spektrumları, C=O germe titreşimlerine karşılık gelen yaklaşık 1650 cm⁻¹’de karakteristik amid I pikleri sergileyerek sentez sırasında oluşan çapraz bağlı yapıyı doğrular.^[87] XPS, azot ve oksijen oranlarını nicelendirerek bunu tamamlar, çapraz bağlanma derecesini ve sülfonasyon gibi potansiyel yüzey modifikasyonlarını ortaya çıkarır. SEM veya TEM yoluyla enine kesit görüntüleme, mekanik bütünlüğü korurken seçiciliği optimize eden, mikro gözenekli bir destek üzerinde ince, yoğun bir aktif tabaka (tipik olarak 50-200 nm kalınlığında) içeren ticari NF membranlarının asimetrik yapısını tutarlı bir şekilde doğrular.^[88]

Yaşlanmanın morfoloji üzerindeki etkileri, özellikle işletme basınçları altında, bakire ve kullanılmış membranların karşılaştırmalı görüntülenmesi yoluyla değerlendirilir ve sıkışma kaynaklı gözenek daralması ve azalmış gözeneklilik gibi değişiklikleri ortaya çıkarır. Kullanım sonrası SEM analizi, destek tabakasındaki sıkıştırıcı deformasyon nedeniyle enine kesit gözenekliliğinde genellikle %20-60’lık bir azalma gösterir ve bu da zamanla akı düşüşüne yol açar.^[89] Bu morfolojik değişimler, uzun vadeli yapısal bozulmayı hafifletmek için destek tabakası için faz dönüşümü gibi sağlam üretim yöntemlerinin önemini vurgular.^[90]

Avantajlar ve Zorluklar

Operasyonel Faydalar

Nanofiltrasyon (NF), su arıtma ve endüstriyel uygulamalardaki kısmi ayırma görevleri için onu tercih edilen bir membran süreci haline getiren çeşitli operasyonel avantajlar sunar. Tipik olarak 5 ila 20 bar arasındaki orta basınçlarda çalışan NF, ters osmoz (RO) gibi daha yoğun alternatiflere kıyasla enerji taleplerini ve sistem karmaşıklığını en aza indirirken verimli çözünen madde reddi sağlar. Bu faydalar, membranın aşırı koşullar gerektirmeden hedeflenen filtrasyonu sağlayan nano ölçekli gözenek yapısından kaynaklanmaktadır.^[32]

Önemli bir operasyonel fayda, özellikle kısmi demineralizasyon süreçleri için NF’nin geliştirilmiş enerji verimliliğidir. NF sistemleri yaklaşık 0.5 ila 2 kWh/m³ tüketir; bu, 15-80 bar’lık daha yüksek işletme basınçları nedeniyle genellikle 1.5 ila 4 kWh/m³ gerektiren RO’ya göre %50-70 daha düşük enerji kullanımı anlamına gelir. Bu azalma, NF’nin daha düşük transmembran basıncı ihtiyaçlarından kaynaklanır ve atık su arıtımı gibi kaynak geri kazanımı senaryolarında sürdürülebilir işletmeye izin verir.^[91]^[92]

NF’nin seçiciliği, tam tuz giderme olmadan su yumuşatma gibi hassas iyon giderimi gerektiren uygulamalarda belirgin bir avantaj sağlar. Membranlar, Ca²⁺ ve Mg²⁺ gibi iki değerlikli iyonları etkili bir şekilde reddederken (>%90 reddetme oranları), Na⁺ ve Cl⁻ gibi tek değerlikli iyonların kısmi geçişine izin verir (%10-50 reddetme). Böylece içme suyundaki yararlı mineralleri korur ve RO’nun aşırı saf çıktısından kaçınır. Bu kontrollü tutulum, tat ve besin değerinin önemli olduğu içilebilir su üretimindeki uygulamaları destekler.^[32]

NF sistemlerinin kompaktlığı pratikliklerini daha da artırır; spiral sarımlı modüller 800 m²/m³’e varan yüksek paketleme yoğunluklarına ulaşarak, eşdeğer verim için geleneksel kum filtrelerinden 10 kata kadar daha küçük ayak izleri sağlar. Bu alan verimliliği, sınırlı kurulum alanına sahip kentsel veya endüstriyel ortamlarda özellikle değerlidir.^[32]^[93]

Çok yönlülük bir diğer operasyonel güçtür; damıtma gibi termal süreçlerin aksine NF, faz değişikliğine neden olmadan ortam sıcaklıklarında etkili bir şekilde çalışır. Bu izotermal işlem, ısıya duyarlı bileşikleri korur ve gıda işleme ve ilaç gibi sektörlerdeki mevcut iş akışlarına entegrasyonu basitleştirir.^[32]

Ekonomik olarak NF, daha basit modül tasarımları ve daha az katı ön arıtma gereksinimleri sayesinde karşılaştırılabilir RO sistemlerine göre daha düşük sermaye harcaması (CapEx) ile maliyet tasarrufu sağlar. İşletme harcaması (OpEx), uzun vadeli uygulanabilirliği artıran enerji ve bakım tasarrufları sağlayan daha düşük basınç taleplerinden yararlanır.^[92]^[16]

Sınırlamalar ve Azaltma Yaklaşımları

Nanofiltrasyon (NF) membranlarının önemli bir sınırlaması, çözünen maddelerin, kolloidlerin ve partiküllerin yüzeyde veya gözeneklerde daha fazla birikmesini kolaylaştıran daha küçük gözenek boyutları (tipik olarak 1-2 nm) nedeniyle ultrafiltrasyon (UF) membranlarını aşan yüksek kirlenme eğilimidir.^[94] Bu kirlenme, besleme bileşimi ve çalışma koşullarına bağlı olarak genellikle %20 ila %50 arasında değişen önemli permeat akısı düşüşüne yol açar, böylece genel verimliliği azaltır ve işletme maliyetlerini artırır.^[95] Yaygın kirleticiler arasında organik madde, inorganik tortular ve biyolojik büyüme bulunur; bunlar, elektrostatik etkileşimleri teşvik eden NF aktif tabakalarının yüklü yapısı ile daha da kötüleşir.^[96]

Diğer bir dezavantaj, borik asit gibi küçük nötr organik bileşiklerin sınırlı reddedilmesidir; burada geçiş oranları %50’yi aşabilir ve nötr pH koşulları altında genellikle %20-50’nin altında düşük reddetme verimlilikleri ile sonuçlanır.^[97] Bunun nedeni, yüksüz, düşük moleküler ağırlıklı nötrlerin (örneğin borik asit için ~62 Da), NF gözeneklerinde minimum boyut dışlama veya Donnan etkisi yaşaması, önemli ölçüde geçişe izin vermesi ve tuz giderme veya eser kirletici giderme gibi uygulamaları zorlaştırmasıdır.^[98] Ek olarak, NF membranları yüksek çalışma basınçlarına duyarlıdır; 20 bar’ın üzerinde sıkışma (compaction) belirgin hale gelir, poliamid aktif tabaka ve destek yapısı yoğunlaşır, bu da %45’e varan kalınlık azalmasına ve zamanla hızlanmış akı kaybına yol açar.^[90] Bu basınç kaynaklı sıkışma, zorlu endüstriyel ortamlarda membran ömrünü tipik olarak 2-5 yıla kadar kısaltır ve sık değişim gerektirir.^[99]

Kirlenmeyi hafifletmek için, mikrofiltrasyon (MF) veya pıhtılaşma gibi besleme ön arıtma stratejileri, NF öncesinde daha büyük partikülleri gidermek ve kirletici yükünü azaltmak için kullanılır; entegre süreçlerle genellikle akıyı %80-90 oranında geri kazandırır.^[100] Sitrik asit veya NaOH gibi kimyasal ajanların fiziksel yöntemlerle (örneğin geri yıkama) birleştirildiği, her 1-7 günde bir uygulanan optimize edilmiş temizleme döngüleri, tersinmez kirlenme tabakalarını tersine çevirmeye ve performansı korumaya yardımcı olur.^[101] Hidrofilik polimerler (örneğin polietilen glikol) veya nanopartikül kompozitler (örneğin TiO₂-ZnO) içeren yeni yüzey kaplamaları, yüzey ıslanabilirliğini artırarak ve yapışmayı azaltarak kirlenme önleyici özellikleri geliştirir ve %80’in üzerinde akı geri kazanım oranları sağlar.^[22]

Maliyet engelleri de yaygın NF benimsenmesini engellemektedir; karmaşık ince film kompozit üretimi nedeniyle ilk membran fiyatları m² başına 30–60 USD arasında değişmektedir.^[102] Bu yüksek sermaye maliyetleri, uzun vadeli operasyonlarda değiştirme giderlerini düşürebilen çözücü geri kazanımı ve malzeme geri kazanımı gibi membran geri dönüşüm teknikleri ile kısmen ele alınmaktadır.^[103]

Endüstriyel Yönler

Tipik Performans Verileri

Endüstriyel su arıtma uygulamalarında, örneğin acı su tuz giderme gibi, nanofiltrasyon membranları tipik olarak %75-90 geri kazanım oranlarına ulaşır. MgSO₄ gibi türler için %90-99 gibi yüksek oranda iki değerlikli iyon reddi sağlarken, NaCl gibi tek değerlikli tuzlar %50-80 gibi daha düşük oranlarda reddedilir.^[73]^[13] Bu koşullar altında permeat akısı, membran tipine ve 5-15 bar’lık çalışma basıncına bağlı olarak 30-60 L/m²·h (LMH) arasında değişir.^[73]^[13]

Süt endüstrisinde nanofiltrasyon, laktoz konsantrasyonu (reddetme >%95) ve kısmi demineralizasyon için peynir altı suyu işlemeden gelen UF permeatına uygulanır; iki değerlikli iyonları reddederken tek değerlikli tuzları geçirir, böylece tatlı peynir altı suyu gibi değerli akışların geri kazanılmasını sağlar.^[104]^[105] Bu süreç, 10-30 LMH akılarda ve 10-20 bar basınçlarda çalışır, enerji tüketimi ise 0.5-1.5 kWh/m³’tür.^[104]

Uygulama	Akı (LMH)	Reddetme (NaCl / MgSO₄, %)	Geri Kazanım (%)	Enerji Kullanımı (kWh/m³)
Acı Su Desalinasyonu	30-60	50-80 / 97-99	75-90	0.5-1.0
Süt Ürünleri Peynir Altı Suyu İşleme	10-30	N/A / 90-99 (laktoz >%95)	80-90	0.5-1.5

Bu kıyaslama rakamları, olgun ticari uygulamaları yansıtan 2010’lardan 2020’lere kadar olan tesislerdeki işletme verilerinden alınmıştır. 2024 itibariyle son uygulamalar, peynir altı suyu proteini ve laktoz geri kazanımı için entegre UF-NF sistemlerini içermekte olup, ticari membranlarla 30 LMH’ye varan akılara ulaşmaktadır.^[73]^[13]^[104]^[106]

Performans, toplam çözünmüş katı maddeler (TDS) gibi besleme özelliklerine göre değişir; burada nanofiltrasyon için optimum işletim, aşırı kirlenme olmadan akı ve reddetmeyi dengelemek için 2000 mg/L civarında gerçekleşir.^[73] Pilot sistemden tam ölçekli sistemlere geçiş yapıldığında, düzensiz akış dağılımı ve daha büyük modüllerde artan kirlenme eğilimi gibi faktörler nedeniyle akı genellikle düşer.^[31]

Son İşlem Entegrasyonu

Nanofiltrasyon (NF) sistemlerinde son işlem entegrasyonu, özellikle NF’nin bir yumuşatma veya kısmi tuz giderme adımı olarak hizmet ettiği içme suyu uygulamalarında, nihai ürün suyunun dağıtım için kalite standartlarını karşılamasını sağlamak adına esastır. 2000’lerin başından bu yana, entegre NF sistemleri su arıtma tesislerinde giderek daha fazla benimsenmiş, kimyasal dengesizlikleri ve mikrobiyal riskleri ele almak için NF’yi sonraki süreçlerle birleştirmiştir. Bunun bir örneği, yüzey suyu arıtımı için Fransa’daki Méry-sur-Oise tesisinde 2002 yılında yapılan uygulamadır. Bu entegrasyonlar, güvenli ve kararlı su için düzenleyici gerekliliklere uyarken genel verimliliği artırır.^[107]

Havalandırma, filtrasyon sırasında bikarbonat giderimi nedeniyle tipik olarak 6 civarında düşük bir pH’a sahip olan yumuşatılmış permeattan çözünmüş karbondioksiti (CO₂) uzaklaştırmak için yaygın bir NF sonrası adımdır. Bu işlem pH’ı 7-8’e yükselterek su stabilitesini artırır ve aşındırıcılığı azaltır; genellikle gaz transfer verimliliğini maksimize etmek için cebri veya indüklenmiş çekişli dolgulu kuleler kullanılarak gerçekleştirilir. Acı yeraltı suyu NF tesislerinde havalandırma, ≤6.0 permeat pH’ında CO₂’yi etkili bir şekilde giderirken bir miktar tamponlama kapasitesini korur; 0.1 mg/L’nin altındaki artık CO₂ seviyelerine ulaşmak için tasarım parametreleri, fit kare başına dakikada 30 galona kadar sıvı yükleme oranlarını içerir.^[108]^[109]

Dezenfeksiyon, mikrobiyal kontaminasyona karşı ek bir bariyer sağlamak için NF’yi takip eder; çünkü NF, bakteriler için 3–>7 log₁₀ ve virüsler için 2–>6.5 log₁₀ giderme sağlar ancak potansiyel membran ihlalleri veya daha küçük viral geçişler nedeniyle tüm patojenleri tamamen ortadan kaldıramayabilir. Ultraviyole (UV) ışınlama veya klorlama tercih edilen yöntemlerdir. NF permeatının düşük organik içeriği (çözünmüş organik karbonda %101.9’a varan azalma), klorlama sırasında trihalometanlar ve haloasetik asitler gibi dezenfeksiyon yan ürünü (DBP) oluşumunu en aza indirir. Örneğin, ardışık anyon değiştirici reçine ve NF işlemi, DBP oluşum potansiyelini %2.4–8.4 oranında düşürebilir ve sitotoksisiteyi %66.4 azaltarak, 2 log₁₀ inaktivasyon sağlayan dozlarda (virüsler için 2–30 dk·mg/L Ct değeri) daha güvenli klorlamayı mümkün kılar. Dünya Sağlık Örgütü (WHO) yönergeleri, içme suyunda mikrobiyal güvenlik için membran sonrası dezenfeksiyonu vurgular, 100 mL numunelerde saptanamayan E. coli hedefler ve bulanıklık 1 NTU’nun altında olduğunda 4 log₁₀ viral azalma için 7–186 mJ/cm² UV dozlarını önerir.^[110]^[111]^[112]

NF permeatının stabilizasyonu, pH ve alkaliniteyi ayarlamak için kireç (Ca(OH)₂) eklenmesini, kalsiyum ve magnezyum dengesinin geri yüklenmesini içerir; bu da dağıtım sistemlerinde korozyonu önler. Bu adım, CaCO₃ olarak 80 mg/L üzerinde alkalinite ve 80–120 mg/L kalsiyum seviyelerini hedefleyerek, borulardan metalleri çözebilen düşük mineralli NF suyunun agresif doğasına karşı koyar. Kireç ilavesi, tamponlama için kalsiyum karbonat çökeltmesini teşvik eder; genellikle CO₂ dozlaması ile birleştirilerek pH 8.0–9.0’a ve sertlik/alkalinite ≥40 mg/L CaCO₃’a ince ayar yapılır, böylece aşırı kabuklaşma olmadan uzun vadeli stabilite sağlanır.^[113]^[108]

NF konsantre yönetimi, çevresel etkiyi en aza indirmek için sürdürülebilir bertaraf veya yeniden kullanıma odaklanır. Yüksek buharlaşma oranlarının (A Sınıfı tava ölçümlerinin %70’i) kara tabanlı muhafazaya izin verdiği kurak iklimlerdeki küçük hacimler için buharlaşma havuzları uygundur. Alternatif olarak, konsantre, seyreltmeden sonra (örneğin, toplam çözünmüş katı maddeleri 5.000–10.000 mg/L’ye düşürmek için ham su ile 4:1 karışım) sulamada yeniden kullanılabilir; tuza toleranslı ekinlere veya peyzajlara yılda 2–20 fit hidrolik yükleme oranlarında uygulanır (yılda 10 fit ile günde 1 milyon galon için 110 dönüm gerekir). ABD tuz giderme tesislerinin yaklaşık %2’si tarafından kullanılan bu yaklaşımler, uyumluluk için pH ayarlamasını ve akışı önlemek için izlemeyi içerir ve sulama amaçlı yeniden kullanım için Florida’nın Bölüm 403 gibi bölgesel düzenlemeleriyle uyumludur.^[114]

Araştırma ve Gelişmeler

Malzemelerdeki Güncel Eğilimler

Nanofiltrasyon (NF) membran malzemelerindeki son gelişmeler, sürdürülebilirliği ele alırken performansı artırmak için metal-organik çerçeveleri (MOF’ler) ve karbon nanotüpleri (CNT’ler) entegre eden nanokompozit yapılara vurgu yapmaktadır. ZIF-8 gibi MOF’lerin poliamid matrislerine dahil edilmesi, bazı konfigürasyonlarda %300’e varan akı artışları göstermiş, temsili çalışmalar bozulmamış poliamid membranlara kıyasla su geçirgenliğinde %20-50 artış bildirmiştir. Benzer şekilde, CNT infüze edilmiş nanokompozitler akı iyileştirmeleri sağlamıştır. Genellikle katman katman montaj veya yerinde büyüme yöntemlerinden yararlanan bu 2020’ler gelişmeleri, atık su arıtımı için MOF ve CNT uygulamaları üzerine yapılan yüksek etkili incelemelerde kanıtlandığı gibi, hidrofilikliği artırır ve kirlenmeyi azaltır.^[115]^[116]

Biyomimetik yaklaşımlar, ultra seçici geçirgenlik elde etmek için doğal su kanallarını taklit ederek ivme kazanmaktadır. Akuaporin gömülü membranlar, özellikle anodik alüminyum oksit alt tabakalar üzerindekiler, 27.6 ± 3.6 L/m²·h su akılarına ve düşük çözünen madde ters akısına (0.11 g/L) sahip oldukça geçirgen yollar sağlar; neredeyse tam tuz reddini korurken akıda akuaporin olmayan emsallerinden %200’den fazla daha iyi performans gösterir. Bu yapılar, biyolojik akuaporinlere benzer şekilde seçiciliğe öncelik vererek, çözünen madde geçişi olmadan kanal başına saniyede 10⁹’a kadar su molekülü taşır.^[27]

Sürdürülebilir malzemeler, çevresel ayak izlerini ve petrol bağımlılığını en aza indirmek için NF’yi biyo-bazlı polimerlere kaydırmaktadır. Karides atığı gibi yenilenebilir kitin kaynaklarından elde edilen kitosan türevleri, selüloz ile karıştırıldığında, 413-499 g/mol moleküler ağırlık sınırlarına ve 13-24 L/m²·h·bar⁻¹ asetonitril geçirgenliğine sahip biyobozunur OSN membranları oluşturur ve uzun süreli operasyonda %98.6’ya kadar yağ giderme verimliliğine ulaşır. DMSO-[Bmim][OAc] gibi yeşil çözücüler kullanılarak üretilen bu biyopolimer karışımları, günler içinde enzimatik olarak bozunarak fosil bazlı poliamidlere olan bağımlılığı azaltır ve su arıtımında döngüsel ekonomi ilkelerini teşvik eder.^[117]

Önemli bir trend, geçirgenliği artırmanın yanı sıra geleneksel ince film kompozitlere göre tuz reddini %10-15 artırmak için TiO₂ veya modifiye edilmiş silika gibi nanopartikülleri gömen ince film nanokompozit (TFN) membranların 2023 yılına kadar ticarileştirilmesidir; örneğin, CeO₂ katkılı TFN’ler geçirgenlikte yaklaşık %24 artışla %94.8 NaCl reddine ulaşmıştır. Ölçeklenebilir arayüzey polimerizasyonu ile yönlendirilen bu gelişmeler, uzun vadeli kararlılık ve kirlenme direncini doğrulayan çalışmalarla endüstriyel tuz gidermede giderek daha fazla benimsenmektedir.^[118]^[119]

Çevresel hususlar, kömür uçucu külü ve pirinç kabuğu külü gibi atıklardan elde edilen geri dönüştürülebilir seramik NF membranların, endüstriyel yan ürünleri düşük maliyetli filtrelere (geleneksel malzemelere kıyasla 2000 $/m² kadar düşük) dönüştürerek sıfır atık stratejilerini mümkün kılmasıyla bütünleyicidir. Bu seramikler, NF’ye öncül olan mikro ve ultrafiltrasyon için yüksek reddetme oranlarını korurken sinterleme enerjisini ve karbon emisyonlarını azaltır ve minimum depolama alanı katkısıyla sürdürülebilir su ıslahını destekler.^[120]

Gelecek Yönelimler ve İnovasyonlar

Nanofiltrasyon (NF) teknolojisindeki devam eden araştırmalar, uyarlanabilir kirlenme kontrolü sağlamak için pH veya basınç gibi çevresel uyaranlara yanıt veren akıllı membranlar geliştirmeye yöneliktir. 2022’den 2025’e kadar olan laboratuvar prototipleri, kendi kendini onaran polimerleri içeren pH’a duyarlı NF membranlarını göstermiş, pH değişimlerine (3 ile 9 arasında) yanıt olarak yüzey yükünü ve hidrofilikliği dinamik olarak değiştirerek %95’e kadar boya reddi sağlarken kirlenmeyi azaltmıştır. Benzer şekilde, ısıya duyarlı arayüzler kullanan basınca duyarlı tasarımlar, aşılanmış polimerlerdeki konformasyonel değişiklikler yoluyla kirlenme döngülerinden sonra akıyı %80’den fazla geri kazandırarak kendi kendini temizleme yetenekleri göstermiştir. Bu yenilikler, atık su uygulamaları için laboratuvar ölçekli kurulumlarda test edilen prototiplerle, değişken besleme koşullarında membran ömrünü uzatmayı amaçlamaktadır.^[121]^[122]^[123]

İleri osmoz (FO) veya elektrodiyalizi (ED) entegre eden hibrit NF sistemleri, endüstriyel atık su arıtımında sıfır sıvı deşarjı (ZLD) elde etmek için temel yenilikler olarak ortaya çıkmaktadır. FO-NF hibritleri, ozmotik seyreltme ve ardından seçici NF ayrımı yoluyla yüksek saflıkta permeatlar üretirken salamura deşarjını en aza indirerek yarı iletken atıklarında asitler ve tuzlar için %95’i aşan geri kazanım oranları göstermiştir. ED-NF kombinasyonları, konsantrasyon için ED ve iki değerlikli iyonların seçici reddi için NF’den yararlanarak, özellikle yüksek tuzlu akışlar için 0.5 kWh/m³’e varan enerji verimliliği ile iyon geri kazanımını mümkün kılar. Bu sistemler, bağımsız süreçlere kıyasla genel enerji tüketimini %25-40 oranında azaltır ve tekstil ve madencilik gibi sektörlerde kapalı döngü operasyonları destekler.^[124]^[125]^[126]

Yapay zeka (AI) ve makine öğreniminin (ML) NF’de uygulanması, kirlenme azaltımı için öngörücü modellemeyi ilerletmektedir; 2024 çalışmaları, akı düşüşünü %90’ın üzerinde doğrulukla tahmin etmek için sinir ağlarını kullanmaktadır. Transmembran basıncı ve besleme bileşimi gibi operasyonel veriler üzerinde eğitilen evrişimli sinir ağları, kirlenme oranlarını gerçek zamanlı olarak tahmin ederek operasyonel döngüleri %30 oranında uzatan proaktif ayarlamalara olanak tanımıştır. Bu modeller, dinamik atık su senaryolarında geleneksel ampirik yöntemlerden daha iyi performans göstererek biyokirlenme dinamiklerini simüle etmek için spektroskopik ve hidrodinamik verileri entegre eder. Bu tür AI güdümlü araçlar, gelişmiş süreç güvenilirliği için laboratuvar doğrulamalarından pilot ölçekli uygulamalara geçiş yapmaktadır.^[127]^[128]^[129]

Küresel eğilimler, NF’yi %85’e varan geri kazanım oranlarıyla acı su desalinasyonu için merkezi olmayan sistemlere entegre ederek, su kıtlığının 2 milyardan fazla insanı etkilediği kuraklığa eğilimli bölgelerde iklim adaptasyonu için ölçeklendirmeyi vurgulamaktadır. Orta Doğu ve Avustralya gibi kurak bölgelerde, pilot NF tesisleri düşük kaliteli kaynakları arıtarak tarımsal dayanıklılığı desteklemiş ve uzun süreli kuraklıkların ortasında tatlı su talebini %50 oranında azaltmıştır. AB Yeşil Mutabakatı, 2050 iklim nötrlüğü hedefleriyle uyumlu olarak atık sudan %90 besin ve metal geri kazanımı sağlayan projeleri finanse ederek kaynak geri kazanımı için NF’nin benimsenmesini hızlandırmaktadır. Bu girişimler, NF’nin salamuraları geri kazanılabilir tuzlara dönüştürmeyi mümkün kılmasıyla döngüsel su ekonomilerini teşvik etmektedir.^[130]^[131]^[39]

Temel zorluklar arasında, değişen protokollerin çalışmalar arasında tutarsız performans ölçümlerine yol açması nedeniyle ölçeklenebilirliği engelleyen nanokompozit testlerinde standardizasyon eksikliği yer almaktadır. Önerilen birleşik test çerçeveleri, grafen oksit gibi nanomalzemeler için akı ve reddetme verilerinde tekrarlanabilirliği sağlamak adına standardize edilmiş basınçlar (5-20 bar) ve beslemeler altında çapraz akış doğrulamasını vurgulamaktadır. NF pazarının, %8’lik bir YBBO ile su yeniden kullanımı ve ZLD uygulamalarındaki talep sayesinde 2023’te 0.88 milyar ABD Dolarından 2030’a kadar 1.5 milyar ABD Dolarına çıkacağı öngörülmektedir. Uluslararası standartlar yoluyla bu engellerin ele alınması, daha geniş ticarileşmeyi kolaylaştıracaktır.^[132]^[133]^[134]